（机械设计及理论专业论文）内置旋流发生器传热管强化传热的研究.pdf

l i 学位论文数据集 中图分类号 t k 5 1 学科分类号 4 6 0 9 9 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 0 7 0 0 0 1 密级公开 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名哈姆德学号 2 0 0 4 0 2 0 0 0 1 获学位专业名称机械设计及理论获学位专业代码 0 8 0 2 0 3 课题来源其它项目研究方向工业节能及强化传热 论文题目内置旋流发生器传热管强化传热的研究 关键词传热管，强化传热，自清洁，威尔逊法，旋转流 论文答辩日期2 0 0 7 年6 月6 日论文类型应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师 杨卫民 教授北京化工大学 聚合物成型加工 评阅人1郭 英教授北京服装学院化学纤维机械 评阅人2 曹志清教授北京化工大学 聚合物成型加工 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员蝴郭英教授北京服装学院化学纤维机械 答辩委员1曹志清教授北京化工大学聚合物成型加工 答辩委员2何雪涛副教授北京化工大学机电控制 答辩委员3丁玉梅副研究员北京化工大学聚合物成型加工 答辩委员4 答辩委员5 注：一 四 论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 中图分类号在中国图书资料分类法查询 学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中查询。 论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成 ， 一、 ，弋 、气 j _ 擐 - a b s t r a c t s t u d yo nh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ti n t u b ew i t hs w i r lf l o wg e n e r a t o r s a b s t r a c t i ni n d u s t r y , as m a l li m p r o v e m e n ti ne f f i c i e n c yc a nr e s u l ti ns i z a b l e e c o n o m i cb e n e f i t s i n f l u e n c eo fs t r i ps e l f - r o t a t i n gp l a s t i cs p i r a le l e m e n ti n s e r t e d i nat u b e0 1 1h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n ti ss t u d i e de x p e r i m e n t a l l y t h es t r i p c o n s i s to f10 0s e l f - r o t a t i n gs p i r a le l e m e n t sm a d eo fp l a s t i cp c ( p o l y c a r b o n a t e ) i n s e r t e di nt h ei n n e rt u b eo fc o u n t e r - c u r r e n th e a te x c h a n g e rw i t hav i e wt o g e n e r a t i n gs w i r lf l o wt h a th e l p st oi n c r e a s et h eh e a tt r a n s f e rr a t eo f t h et u b e t h e f l o wr a t eo ft h et u b ei sc o n s i d e r e di nar a n g eo fr e y n o l d sn u m b e rb e t w e e n6 6 0 0 t o2 2 0 0 0b a s e do nt h em e a np r o p e r t i e sa n di n n e rt u b ed i a m e t e r t h es w i r l i n gf l o w d e v i c e si n s e r t e di nt h ei n n e rt u b eo fac o n c e n t r i ct u b eh e a te x c h a n g e r c o l dw a t e r i sf l o w e di nt h ea n n u l u sw h e r e a st h eh o tw a t e rf l o w e di nt h ei n n e rt u b e t h e e x p e r i m e n t a ld a t ao b t a i n e df r o mt h es m o o t ht u b ea r ec o m p a r e dw i t ht h ed a t a a v a i l a b l ei nl i t e r a t u r e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sc o n f i r m e dt h a tt h eu s e so fs e l f - r o t a t i n gp l a s t i cs p i r a le l e m e n t sg i v et h eh i g h e ro v e r a l lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t t h a nt h es m o o t ht u b e a l s ol e a d st oh i g h e rn u s s e l tn u m b e rw h i c hi n c r e a s e sa b o u t 户 一 点 一一 卜 。 扣 卜 户 瓜 0 产 p 争 内置旋流发生器传热管强化传热的研究 摘要 。在工业领域，效率的微小提高即可带来可观的经济效益。本文通过实 验的方式研究了传热管内置螺旋塑料元件的强化传热，该元件可以在水流 作用下自动旋转。该内插件由p c 制作而成的1 0 0 个螺旋塑料元件构成，放 置在逆流换热器的传热管内以便在传热管内产生旋流而增加传热管的传热 速率。传热管内流动速率的雷诺数范围为6 6 0 0 - - 2 2 0 0 0 。旋流装置放置在同 心套管换热器的内管。冷水在外管流动，而热水在内管中流动。光管进行 实验的数据与上述实验得到的数据相比，内置螺旋塑料元件的传热管比光 管具有更高的总传热系数和更高的努塞尔数，且努塞尔数提高了大约1 3 0 。通过实验方式得到的光管的平均努塞尔数与迪图斯一贝尔特方法的平均 努塞尔数相比，误差范围在1 3 1 - 2 0 8 内。该项技术不仅可以用于换热器 的强化传热，还可以换热器用于需要自动清洗污垢的场合。 关键词：传热管，强化传热，自清洁，威尔逊法，旋转流 1 v 心争式 啷j 产， 户 c o n t e n t s c o n t e n t s c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1 1g e n e r a l ，：1 1 2h e a te x c h a n g e r 2 1 3e n e r g ye q u a t i o n sf o rh e a te x c h a n g e r s 4 1 4l o gm e a nt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e s 5 1 5t h ee n h a n c e m e n tt e c h n i q u e s 5 1 5 1p a s s i v et e c h n i q u e s 6 1 5 2a c t i v et e c h n i q u e s 8 1 6c l e a n i n go fh e a te x c h a n g e r 1 0 c h a p t e r2l i t e r a t u r er e v i e w 1 5 2 1i n 钿o d u c t i o n 1 6 2 2s u r v e yo f p r e v i o u sw o r k 1 6 2 2 1f l o wt h r o u g hi n t e r n a l l yf i n n e dt 1 】i b c s 1 6 2 2 2s w i r lf l o w 1 9 2 2 3r o u g h e n e ds u r f a c e s ：! ( 2 2 4m i c r of i n s ：! l 2 2 5o f f s e ts t r i pf i n s ：! ：1 2 2 6f i n n e dt u b e s 2 2 2 3o b j e c t i v eo f t h ep r e s e n t ，o r k 2 3 c h a p t e r3t e s ts e c t i o na n dc a l c u l a t i o np r o c e d u r e 2 4 3 1g e n e r a ld e s c r i p t i o no f t h et e s ts e c t i o n 2 5 3 2e x p e r i m e n t a la p p a r a t u sa n dp r o c e d u r e 2 6 3 3d a t ar e d u c t i o ne q u a t i o n s 2 7 3 4w i l s o np l o t sa n a l y s i s 2 8 3 4 1s t e p so fd e t e r m i n a t i o n 3 0 v j 嘶；0 m a s t 曩st h 岱i so f b u c t c h a p t e r4r e s u l ta n dd i s c u s s i o n 3 2 _ 1 1i n 灯o d u c f i o n 3 3 4 2e f f e c to fp l a s t i cs p i r a le l e m e n to no v e r a l lh e a tt r a n s f e rc o e m c i e n t 3 3 4 3e x p e r i m e n t a lr e s u l t so f s m o o t ht u b e ：i l 4 4e f f e c to fp l a s t i cs p i r a le l e m e n to ni n s i d eh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t 3 5 广， 、 c h a p t e r5c o n c l u s i o n sa n dr e c o m m e n d a t i o n s 3 8 产 r e f e r e n c e s 4 1 a p p e n d i x1 4 4 a p p e n d i x2 4 7 a c k n o w l e d g e m e n t ，5 0 p a p e rp u b l i s h e d ，5 1 b i o g r a p h i e so ft h es u p e r v i s o ra n da u t h o r 5 1 v i 冉；菇 魂剪 广 c o n 咖忸 目录 第一章绪论l 1 1 综j 丕”一”2 1 2 换热器2 1 3 换热器的能量方程4 1 4 对数平均温差法一5 1 5 强化传热技术5 1 5 1 无源技术6 1 5 2 有源技术”8 1 6 换热器清洗”l o 第二章综述1 5 2 1 简介一1 6 2 2 研究成果概况1 6 2 2 1 内翅片管流体流动? 1 6 2 2 2 旋转流1 9 2 2 3 粗糙面2 0 2 2 4 微肋”2 l 2 2 5 锯齿翅片2 2 2 2 6 肋片管2 2 2 3 工作目标2 3 产 第三章实验与计算”2 4 ， 3 1 实验简介2 5 3 2 实验装置与实验过程2 6 3 3 数据处理2 7 3 4 威尔逊法2 8 3 4 1 分析步骤3 0 v d # m 舔t f st h 岱i so f b u c t 第四章结果和讨论3 2 4 1 简介3 3 4 2 螺旋塑料元件对总体换热系数的影响3 3 4 3 光管实验结果3 4 4 4 螺旋塑料元件对管内传热系数影响3 5 c 第五章结论与建议3 8 卜 r 参考文献4 l 附录l 4 4 附录2 4 7 致谢5 0 研究成果及发表的学术论文5 l 作者和导师的简介5 1 p 一 对 ? m a s t e r st h e s i so f b u c t n o m e n c l a t u r e p h e a tt r a n s f e rr a t e ( m mv o l u m e t r i cf l o wr a t e ( m s e c ) pd e n s i t y ( k g m ) c p s p e c i f i ch e a tc a p a c i t yl u | k g q t t e m p e r a t u r e ( 。c ) hh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ( w ，m 2 c ) k t h e r m a lc o n d u c t i v i t y ( w r e c ) ah e a tt r a n s f e ra r e a ( m 2 ) dt u b e d i a m e t e r ( m ) d h y d r a u l i cd i a m e t e r ( 朋) li n n e rt l l b el e n g t h ( m ) v a v e r a g ev e l o c i t yo f f l u i di n s i d et u b e ( m s e e ) l 舯l o g m e a nt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e ( 。c ) pk i n e m a t i c sv i s c o s i t y ( m 2 s e c ) u o v e r a l lh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ( w m 。c ) r e r e y n o l d sn u m b e r n un u s s e l tn u m b e r p rp r a n d t ln u m b e r s u b s c r i p t s il n l e t 0o u t l e t a p a v e r a g e hh o t f l u i d cc o l d f l u i d ni n s i d e o uo u t s i d e d 【 媳 薯 f 一 c h a p t e r i n t r od u c t io n 味；0 0 ， r 1 1g e n e r a l h e a tt r a n s f e ri sav e r yi m p o r t a n tc o n c e p tb e c a u s ea l m o s ta l li n d u s t r i e sh a v es o m ef o r mo f h e a te x c h a n g ei nt h e i rp r o c e s s f o re x a m p l eac h e m i c a lr e a c t o rh a st ob em a i n t a i n e da ta s u i t a b l et e m p e r a t u r ef o ri tt oo p e r a t ea ti t sh i g h e s te f f i c i e n c ya sw e l l 弱p r e v e n ti tf t o mo v e r h e a t i n ga n dp o s s i b l ye x p l o d i n g ad e v i c ew h i c hi sb u i l tf o re f f i c i e n th e a tt r a n s f e rf r o mo n e f l u i dt oa n o t h e ri sk n o w na sah e a te x c h a n g e r h e a te x c h a n g e r sc a nb cs e a l li nav a r i e t yo f p l a c e sr a n g i n gf r o mt h eb o i l e r si np o w e rp l a n t st ot h eh e a t i n gs y s t e mo n ac o h e g ec a m p u s w ed e f i n e dt h eh e a ta st h ef o r mo fe n e r g yt h a tc a nb et r a n s f e r r e df r o mo n es y s t e mt o a n o t h e ra sar e s u l to ft e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e at h e r m o d y n a m i ca n a l y s i si sc o n c e r n e dw i t ht h e a m o u n to fh e a tt r a n s f e ra sas y s t e mu n d e r g o e sap r o c e s sf r o mo n ee q u i l i b r i u ms t a t et oa n o t h e r 1 1 地s c i e n c et h a td e a l sw i t ht h ed e t e r m i n a t i o no ft h er a t e so fs u c he n e r g yt r a n s f e ri st h eh e a t t r a n s f e r t h et r a n s f e ro fe n e r g ya sh e a ti sa l w a y sf r o mt h eh i g h e rt e m p e r a t u r em e d i u mt ot h e l o w e rt e m p e r a t u r eo n e ，a n dh e a tt r a n s f e rs t o p sw h e nt h et w om e d i u m sr e a c ht h es a m e t e m p e r a t u r e h e a tc a nb et r a n s f e ri nt h r e ed i f f e r e n tm o d e s ：c o n d u c t i o n , c o n v e c t i o n , a n d r a d i a t i o n a nm o d e so fh e a tt r a n s f e rr e q u i r et h ee x i s t e n c eo fat e m p e r a t u r ed i f f e r e n c e , a n da l l m o d e sa r ef r o m 也eh i g ht e m p e r a t u r em e d i u mt oal o w e rt e m p e r a t u r eo n el i j t h ec o n v e r s i o n , u t i l i z a t i o n , a n dr e c o v e r yo fe n e r g yi ne v e r yi n d u s t r i a l ，c o m m e r c i a l , a n d d o m e s t i ca p p l i c a t i o ni n v o l v eah e a te x c h a n g ep r o c e s s s o m ec o m m o ne x a m p l e sa r es t e a m g e n e r a t i o na n dc o n d e n s a t i o n i np o w e ra n dc o g e n e r a t i o np l a n t s ；s e n s i b l eh e a t i n ga n dc o o l i n go f v i s c o u sm e d i ai nt h e r m a lp r o c e s s i n go fc h e m i c a l ，p h a r m a c e u t i c a l ，a n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t s ； r e f r i g e r a n te v a p o r a t i o na n dc o n d e n s a t i o ni na i rc o n d i t i o n i n ga n dr e f r i g e r a t i o n ；g a sf l o wh e a t i n g i nm a n u f a c t u r i n ga n dw a s t e - h e a tr e c o v e r y ；a i ra n dl i q u i dc o o l i n go fe n g i n ea n dt u r b o m a c h i n e r ys y s t e m s ；a n dc o o l i n go fe l e c t r i c a lm a c h i n e sa n de l e c t r o n i cd e v i c e s i m p r o v e dh e a t e x c h a n g e ，o v e ra n da b o v et h a ti nt h eu s u a lo rs t a n d a r dp r a c t i c e ，c a ns i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h e t h e r m a le f f i c i e n c yi ns u c ha p p l i c a t i o n sa sw e l la st h ee c o n o m i c so ft h e i rd e s i g na n do p e r a t i o n t e l 1 2h e a te x c h a n g e r ah e a te x c h a n g e ri st h ep r i m a r yd e v i c eu s e di n d u s t r i a l l yf o rt h et r a n s f e ro fh e a tb e t w e e n t w of l u i d s ，i ti st h em o s tc o m m o no fh e a tt r a n s f e rd e v i c e sa n de x a m p l e si n c l u d ey o u rc a r r a d i a t o ra n dt h ec o n d e n s e ru n i t so na i rc o n d i t i o n i n gs y s t e m s t h e r ea l ot h r e eg e n e r a lc a t e g o r i e s o fh e a te x c h a n g e r s ：r e g e n e r a t o r s ，o p e nt y p ee x c h a n g e r s ，a n dc l o s e d - t y p ee x c h a n g e r s ，a l s o 2 螅 # ： ， m a s t e r st h e s i so f b u c t k n o w na sr e m u n e r a t o r s r e g e n e r a t o r sa r eh e a te x c h a n g e r si nw h i c hf l u i d sf l o wa l t e r n a t e l y t h r o u g ht h es a n l es p a c ew i t ha sl i t t l ep h y s i c a lm i x i n ga sp o s s i b l e o p e nt y p ee x c h a n g e r sa l l o w t h et w of l u i d st om i xw i t he a c ho t h e r ah o ts t r e a ma n dac o l ds t r e a me n t e rt h ee x c h a n g e ra s s e p a r a t es t r e a m sa n dl e a v ea so n es t r e a m t h ed o u b l ep i p eh e a te x c h a n g e rb e l o n g st ot h er e m u n e r a t o rc a t e g o r y rc o n s i s t so fo n e p i p ec o n c e n t r i c a l l yl o c a t e di n s i d eas e c o n d , l a r g e ro n e i nt h i st y p eo fe x c h a n g e r , t h eh o ta n d c o l df l u i d sd on o tc o m ei n t od i r e c tc o n t a c tw i t he a c ho t h e r , o n ef l u i df l o w si nt h ea n n u l u s b o t w e c nt h ei n n e ra n do u t e rp i p e sa n dt h eo t h e rf l o w si nt h ei n n e rp i p e me n e r g ye x c h a n g e d f l o w sf r o mo n ef l u i dt ot h eo u t e rs u r f a c oo ft h ep i p eb yf o r c e dc o n v e c t i o n , t h r o u g ht h ep i p e w a l lb yc o n d u c t i o n , a n dt h e nf r o mt h ei n s i d es u r f a c eo ft h ep i p et ot h es e c o n df l u i db yf o r c e d c o n v e c t i o n i nt h i st y p eo fh e a te x c h a n g e rt h ef l o wc a ne i t h e rb ep a r a l l e lo rc o u n t e rf l o w i n p a r a l l e lf l o wb o t ht h eh o ta n dc o l df l u i d se n t e rt h eh e a te x c h a n g e ra tt h es a m ee n da n dm o v e i n t h es a m ed i r e c t i o n i nc o u n t e rf l o w ，o i lt h eo t h e rh a n d , t h eh o ta n dc o l df l u i d se n t e rt h eh e a t e x c h a n g e ra to p p o s i t ee n d sa n df l o wi no p p o s i t ed i r e c t i o n s ac o u n t e r c u r r e n th e a te x c h a n g e r , p a r a l l dh e a te x c h a n g e ra n dap o s s i b l es e to ft e m p e r a t u r ep r o f r i e sa saf u n c t i o no fl e n g t hi s s h o w ni nf i gl 1 a l s oo b s e r v et h a ti nc o u n t e r c u r r e n tf l o wt h em a x i m u mt e m p e r a t u r ec h a n g ei s l i m i t e db yo n eo ft h eo u t l e tt e m p e r a t u r e se q u i l i b r a t i n g 、航mt h ei n l e tt e m p e r a t u r eo ft h eo t h e r s t r e a m , g i v e nab a s i c a l l ym o r ee f f i c i e n th e a te x c h a n g e rf o ro t h e r w i s ei d e n t i c a li n l e tc o n d i t i o n s c o m p a r e dt ot h ep a r a l l e la r r a n g e m e n t f o rt h i sr e a s o n ，t h ed e s i g n e rw i l la l m o s ta l w a y sc h o o s ea c o u n t e r c m r e n tf l o wa r r a n g e m e n tw h e r e p o s s i b l e h e a tt r a n s f e ri nh e a te x c h a n g e ru s u a l l yi n v o l v e sc o n v e c t i o ni ne a c hf l u i da n d c o n d u c t i o nt h r o u g ht h ew a l ls e p a r a t i n gt h et w of l u i d s i nt h ea n a l y s i so fh e a te x c h a n g e r s ，i ti s c o n v e n i e n tt ow o r kw i t ha no v e r a l lh e a tt r a n s f e rt o e m c i e n tt h a ta c c o u n t sf o rt h ec o n t r i b u t i o n o fa l lt h e s ee f f e c t so nh e a tt r a n s f e r t h er a t eo fh e a tt r a n s f e rb e t w e e nt h et w of l u i d sa ta l o c a t i o ni nah e a te x c h a n g e rd e p e n d so nt h em a g n i t u d eo ft h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ea tt h a t l o c a t i o n , w h i c hv a r i e sa l o n gt h eh e a te x c h a n g e r i nt h ea n a l y s i so fh e a te x c h a n g e r s ，i ti su s u a l l y c o n v e n i e n tt ow o r k 谢t l lt h el o g a r i t h m i cm e a nt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eim ? i d ，w h i c hi sa n e q u i v a l e n tm e a nt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w of l u i d sf o rt h ee n t i r eh e a te x c h a n g e r 3 s j p a 岫 a p 簟m e t f i m r p i 瞰n h c m s a l n m f i g 1 1d o u b l e p i p eh e a t 洳蛐g e r 1 3e n e r g ye q u a t i o n s f o r 馥te x c h a n 妒 d i 撇t e h e 删g e n e r a l 洲h e a te x 瓢